頁巖氣壓裂系統(tǒng)分析

安健寧，王國付，劉傳馳，王衛(wèi)強(qiáng)

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

頁巖氣壓裂系統(tǒng)分析

安健寧，王國付，劉傳馳，王衛(wèi)強(qiáng)

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

頁巖氣系統(tǒng)其本質(zhì)主要是由連續(xù)性生物、生物堆積形成的有機(jī)物礦藏。頁巖氣是儲存在天然裂縫和孔隙之間的氣體，氣體吸附在粘土顆粒表面，或者溶解在油母巖質(zhì)和瀝青中。通過對美國安特里姆頁巖現(xiàn)場開采的分析，了解到頁巖氣的成功開采需要進(jìn)行水力壓裂的配合。結(jié)合美國的成功案例，對我國頁巖氣開采方式展開討論。

頁巖氣；生物堆積；天然裂縫；水力壓裂

1 頁巖氣系統(tǒng)概況

美國在1999年開始生產(chǎn)頁巖氣，其中密歇根盆地泥盆世安特里姆頁巖和泥盆世俄亥俄州阿巴拉契亞盆地頁巖約占總數(shù)的84%。天然氣年產(chǎn)量也在穩(wěn)步增加，通過不斷的探索和發(fā)展，又開發(fā)出三個有機(jī)頁巖地層:新奧爾巴尼泥盆紀(jì)頁巖在伊利諾斯州盆地,沃思堡的密西西比州的巴涅特頁巖盆地,白堊紀(jì)劉易斯在圣胡安盆地頁巖。在已知的盆地中，頁巖氣資源含量巨大，其含量高達(dá)497 ～ 783 tcf，使用已知技術(shù)進(jìn)行開采，預(yù)估資源可產(chǎn)量可從31提升至76 tcf。其中俄亥俄地區(qū)頁巖占其最大份額。

1.1 頁巖氣發(fā)展歷史背景

在1627-1669年由法國探險家和傳教士最早發(fā)現(xiàn)并引用黑色（富含有機(jī)物）阿巴拉契亞盆地頁巖。他們指出最早的石油天然氣就出自紐約西部的泥盆紀(jì)頁巖[6]。但人們通常認(rèn)為美國真正的天然氣行業(yè)是在1821年開始的。第一個完成對泥盆紀(jì)頁巖開采的是在紐約的肖托夸縣。開采出的氣體用于村莊照明。這一發(fā)現(xiàn)要比賓夕法尼亞州著名的的雷克油氣藏要提早35年以上。

在1863年在肯塔基州西部開始對泥盆紀(jì)頁巖密西西比頁巖進(jìn)行頁巖氣勘探與開發(fā)。直到1870年，頁巖氣的開發(fā)開始向西傳播沿著南海岸線到俄亥俄州東北部的伊利湖。到了20世紀(jì)20年代，頁巖氣的開采工作已經(jīng)發(fā)展到維吉尼亞州西部、肯塔基州以及印第安納州。1926年在肯塔基州和西佛吉尼亞州東部發(fā)現(xiàn)世界上已知最大的泥盆紀(jì)頁巖氣藏。1976年美國能源部發(fā)起了對東部頁巖氣地質(zhì)、地球化學(xué)以及石油工程方面的研究，加快了頁巖氣發(fā)展的步伐。

圖1 天然氣產(chǎn)量圖Fig.1 Natural gas production figure

在20世紀(jì)80年代末到90年代初，美國天然氣技術(shù)研究所（GRI）在原有研究成果上更全面的評價與分析泥盆紀(jì)頁巖與密西西比州頁巖的頁巖氣開采潛力以及提高生產(chǎn)量[7]。在20世紀(jì)80年代密西西比州的巴涅特頁巖沃思堡盆地和白堊紀(jì)路易斯圣胡安盆地的頁巖油氣開采已經(jīng)逐步走向商業(yè)化生產(chǎn)，到了90年代最為活躍的天然氣開采是在密歇根的安特里姆泥盆紀(jì)頁巖。（如圖1）美國在1979年到1999年之間頁巖氣產(chǎn)量增加超過七成。1998年頁巖氣產(chǎn)量占全美天然氣產(chǎn)量的1.6%，占已探明天然氣儲量的2.3%。

1.2 頁巖氣系統(tǒng)概述

圖2 頁巖氣形成地理位置Fig.2 Geographical location where shale gas formation

圖3 資源示意圖Fig.3 Resource diagram

美國頁巖氣地層形成于古生代和中生代的美國大陸架，（圖2）是通過連續(xù)積累而成的非常規(guī)油氣資源即頁巖氣[1]，頁巖氣的生產(chǎn)是一個十分龐大的系統(tǒng)模式，這個龐大的系統(tǒng)又是有小的系統(tǒng)分支所組成。金字塔資源示意圖，如（圖3）所示，這一概念早在1970年代末首次用于分析天然氣在低滲油藏中積累。如果想開發(fā)出金字塔最底層的礦產(chǎn)資源，需要考慮到降低運(yùn)營成本、如何控制油價走勢，同時需要更先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)支持。人們逐漸意識到處于金字塔底部的待開發(fā)資源代表著石油系統(tǒng)資源的潛力。早在1800年美國建造頁巖氣作業(yè)現(xiàn)場的就超過了28 000人。目前除了美國很少有國家大規(guī)模開采頁巖氣。由于技術(shù)不成熟以及投資過高等原因沒有一個完善的頁巖氣生產(chǎn)系統(tǒng)。頁巖油氣存在于細(xì)小顆粒、粘土以及富含有機(jī)物的巖石中，由他們組成氣體源和儲集巖含油系統(tǒng)。產(chǎn)生能量的氣體石油生物源長期儲存在巖石夾層中吸收碳?xì)溲趸铮⑶乙詺怏w的形式游離在油母頁巖和瀝青的粒間孔隙中[2]。對于氣體飽和度大的區(qū)域需要采取十分謹(jǐn)慎細(xì)密的機(jī)制。假設(shè)巖石標(biāo)本成分是變量,從膨潤土(圣胡安盆地)到頁巖(阿巴拉契亞和沃思堡盆地)再到冰堆物(密歇根盆地)最后碳酸鹽巖(伊利諾斯州盆地)都在隨之發(fā)生變化。產(chǎn)熱是由生物氣構(gòu)成，存在于頁巖氣儲層，然而在密歇根州和伊利諾伊州盆地生物氣似乎又占主導(dǎo)地位。如果產(chǎn)氣經(jīng)濟(jì)效益一般，需要增加頁巖內(nèi)在滲透率（小于0.001d）。完井現(xiàn)場采用水力壓裂技術(shù)解決天然裂縫系統(tǒng)和進(jìn)行新的破裂。不到10%的頁巖氣井成功的借鑒水庫的壓裂方式進(jìn)行系統(tǒng)作業(yè)。在開發(fā)初期這些地層裂縫一般采用硝酸甘油、推進(jìn)劑配合各種水力壓裂技術(shù)。

2 頁巖系統(tǒng)分析

在美國頁巖的開采已經(jīng)發(fā)展成為一個很完整的體系。目前開采量較大的在美國有五個地區(qū)，分別是安特里姆、俄亥俄州、新奧爾巴尼、巴奈特以及路易斯，本文對安特里姆密歇根盆地頁巖進(jìn)行系統(tǒng)分析。美國五個地點(diǎn)的地質(zhì)、化學(xué)物質(zhì)含量以及儲層參數(shù)如表1。

表1 儲層參數(shù)Table 1 Reservoir parameters

2.1 安特里姆密歇根盆地的頁巖

安特里姆頁巖是一種較為普遍的頁巖資源，其含有豐富的有機(jī)物頁巖沉積系統(tǒng)，而密歇根克拉通內(nèi)盆地是一個坐落在東部內(nèi)陸的沉積中心。盆地充滿超過5 182 m的沉積物以及274 m的頁巖。構(gòu)造基礎(chǔ)是在構(gòu)造盆地的中心附近大約低于海平面732 m。安特里姆地層學(xué)相對簡單，通常完井的方式與要求都低于總厚度接近49 m的加拿大拉欽以及英國的諾伍德，拉欽和諾伍德的總有機(jī)碳含量占總重量的0.5%～24%。這些黑色頁巖含有豐富的硅（其中20%～41%來自風(fēng)化的淤泥以及微晶石英）、白云巖、灰?guī)r凝固物、硫化物、硫酸鹽以及硫酸鹽水泥等。對于較低的安特里姆帕克斯頓,是含有石灰和灰色泥巖的混合巖性頁巖，其中還含有0.3%～8% TOC和7%～30%的硅。

安特里姆頁巖氣的形成是雙重起源、是由熱成熟的油母頁巖和微生物(或生物)以及細(xì)菌代謝活動產(chǎn)生熱量。在1998年由馬提尼提出的地層水化學(xué)、氣體的產(chǎn)生和地質(zhì)歷史等因素造成微生物對于北美地區(qū)產(chǎn)氣量起著十分重要的影響作用。

成熟的裂縫網(wǎng)不僅可以運(yùn)輸安特里姆頁巖氣和原生水，還可以從新的冰磧的上覆水層影響大氣水細(xì)菌的入侵。氘甲烷同位素成分(dD)和聯(lián)合形成水域為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供了最有力的證據(jù)。同時馬提尼還提出了另一種動態(tài)關(guān)系，裂縫發(fā)展和新冰磧上覆水層關(guān)系，冰層負(fù)荷的提高是由于在水頭處先前存在天然裂縫的擴(kuò)張，使流入大氣水的(充電)促進(jìn)甲烷細(xì)菌的生成。通過基于甲烷：（乙烷＋丙烷）的比率和同位素碳13所組成的乙烷產(chǎn)生，可以確定少量產(chǎn)熱氣體（20%）的成分。內(nèi)向產(chǎn)熱系統(tǒng)的氣體成分比例增加，增加的因素會取決于油母頁巖的成熟度。

2.2 安特里姆頁巖油氣系統(tǒng)

通過深入分析烴源巖之間的相互作用、圈閉、儲層巖石、技術(shù)人員的常規(guī)要求和經(jīng)驗以及對氣體后期的分析等這些因素組成一個成熟的石油系統(tǒng)。這種理念石油馬古恩提出，評估一群活躍烴源巖和產(chǎn)生油氣藏之間的遺傳關(guān)系。含油氣系統(tǒng)主要因素是由石油烴源巖、儲集巖、海豹巖和復(fù)蓋巖層。在此過程中必須考慮圈閉的形成、遷移、碳?xì)浠衔锏姆e累，在一定時間和空間內(nèi)完成。應(yīng)用這一概念的核心就是對于時間點(diǎn)的確定，也就是說這一時間點(diǎn)也最能代表碳水化合物生成、遷移以及積累所用的時間。此外,這些過程可能發(fā)生在不同時間段。在任何情況下,頁巖中油氣運(yùn)移距離相對較短。位于頁巖的加熱段或失水段的常見儲層也可能被同樣的泥質(zhì)烴源巖所生成的油氣充滿。與其他非常規(guī)石油系統(tǒng)討論相類似，頁巖氣壓裂系統(tǒng)不具備任何單獨(dú)定義。拉欽和諾伍德以及較低的安特里姆頁巖，構(gòu)成生油巖層和儲層巖都是含有豐富有機(jī)物的頁巖地層，例如油母頁巖和儲集巖的構(gòu)成。壓裂是通過產(chǎn)生張力導(dǎo)致儲層發(fā)生滲透的過程，這個張力可能由如下過程產(chǎn)生的壓力引起：內(nèi)部由油母頁巖到瀝青的熱熟化過程引起，或者是由外部構(gòu)造力引起，或者兩者兼有。

頁巖地層占據(jù)超過75%的礦藏地層，需要解決與頁巖穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)的問題，石油和天然氣行業(yè)仍然在解決相關(guān)鉆井問題。相關(guān)問題包括井壁坍塌、縮徑、洗井、塑性流動、壓裂井漏、井控，鉆井過程中最大的問題是如何提高井筒穩(wěn)定性以及控制鉆井成本。這些問題主要是由于巖石應(yīng)力與強(qiáng)度之間在鉆進(jìn)的過程中易產(chǎn)生失衡，鉆井液就是用來將導(dǎo)致應(yīng)力與強(qiáng)度失衡的巖石攜帶出，代替這些巖石使井內(nèi)保持平衡，在鉆探過程中，在鉆進(jìn)時鉆孔附近的應(yīng)力超過其本身的強(qiáng)度導(dǎo)致頁巖地層不穩(wěn)定。頁巖與其他巖石最根本的區(qū)別在于鉆井液的水敏性。影響頁巖穩(wěn)定性包括頁巖本身的性能（例如礦物學(xué)、孔隙度）以及鉆井液的性能（潤濕性、密度、鹽度和離子濃度）兩大方面。由于裂縫的存在和產(chǎn)生，我們需要通過鉆井液對易破碎巖層進(jìn)行壓裂和射孔，通過頁巖和鉆井液的相互作用改變有效應(yīng)力和頁巖強(qiáng)度來改善由于鉆井液本身引起的孔隙壓力不穩(wěn)定。由于應(yīng)力和強(qiáng)度變化通常發(fā)生在一段時間內(nèi)，所以頁巖穩(wěn)定性也是一個時變問題。防止頁巖的不穩(wěn)定性需要更好的理解造成頁巖穩(wěn)定性的機(jī)理選擇合適的鉆井液[8]。

3 頁巖氣開發(fā)展望

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣新型能源，在世界新能源的推動下，中國也掀起了新一輪能源開采的熱潮，作為新型能源，目前國內(nèi)開采經(jīng)驗尚短，依據(jù)國外的先進(jìn)技術(shù)配以目前的新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對頁巖油氣礦藏可以進(jìn)行不斷完善。在生產(chǎn)天然氣商業(yè)展覽時發(fā)現(xiàn)五個關(guān)鍵參數(shù)的值: 熱成熟度、氣體吸附分?jǐn)?shù)、儲層厚度、有機(jī)碳總含量和氣體體積。天然裂縫的發(fā)育程度受頁巖儲層低矩陣滲透控制的因素所影響。美國天然氣實(shí)行大規(guī)模生產(chǎn)是從頁巖氣開始的，考慮到無論是從技術(shù)上還是資源含量上看，頁巖氣是一項可持續(xù)發(fā)展的資源類型。天然氣的形成是由巖層斷裂引發(fā)的，在美國古生代和中生代頁巖地層是富含豐富有機(jī)物的，考慮到烴源巖、儲層、密封以及圈閉可以構(gòu)建出油氣系統(tǒng)的框架。另外必須考慮氣體的來源,是否生物產(chǎn)生熱量,潛在定義進(jìn)化的關(guān)鍵是碳?xì)浠衔?。本文討論的安特里姆頁巖氣系統(tǒng)均表現(xiàn)出大量的關(guān)鍵地質(zhì)和地球化學(xué)參數(shù)，但是每個系統(tǒng)都可以生產(chǎn)可供銷售的天然氣。盡管如此，將如此大量的天然氣帶入市場對運(yùn)營商來說也是一個很大的挑戰(zhàn)。雖然，通過采用適當(dāng)?shù)脑霎a(chǎn)措施提高裂縫和基質(zhì)滲透率，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)氣體流率的關(guān)鍵，但是有機(jī)物必須足夠生成最初的儲層氣。因此，對整體或局部頁巖內(nèi)有機(jī)物的成因的解析，以及巖石力學(xué)對頁巖有機(jī)物的影響的分析是確定它們與產(chǎn)氣能力之間復(fù)雜關(guān)系的關(guān)鍵步驟。質(zhì)量差的因素可以由另一個因素來進(jìn)行補(bǔ)償，無論怎樣，頁巖氣的量產(chǎn)即使在地質(zhì)和地球化學(xué)處于最佳值時期也有很大難度。

從開采角度上看，開采頁巖氣所使用的方法是水平井水力壓裂，但我們需要從美國頁巖氣開采的過程中得到一些啟示，雖然該方法是目前較為有效的頁巖氣開采方式，但是由于其對環(huán)境影響巨大，例如在壓裂過程中需要大量的水，對于壓裂反排液的慢滲會直接影響地層，壓裂液中還經(jīng)常含有苯的衍生物等有毒化學(xué)物質(zhì)，最終造成嚴(yán)重污染[10]， 同時還有在頁巖氣開采現(xiàn)場周圍還出現(xiàn)過地震現(xiàn)象，我們還應(yīng)慎用該法進(jìn)行開采，同時對鉆井液以及完井液做到高效低污染，要注重現(xiàn)場廢液的有效分解與回收，在提高采收率的同時要保障資源的綠色可循環(huán)開采。

4 結(jié) 論

通過對美國頁巖氣藏的深入了解，以及對現(xiàn)場性能參數(shù)的分析，不難得到以下結(jié)論：

（1）由于頁巖氣的地層比較特殊，分析其歷史形成以及地層構(gòu)造，從而得出使用壓裂方式對頁巖氣進(jìn)行實(shí)地開采。

（2） 借鑒目前較為成功的水平井水力壓裂的開采方式，在我國進(jìn)行調(diào)試與使用。同樣的，含油氣系統(tǒng)主要是由石油烴源巖、儲集巖、海豹巖和復(fù)蓋巖層組成。在設(shè)計系統(tǒng)過程中必須考慮圈閉的形成、遷移、碳?xì)浠衔锏姆e累。應(yīng)用這一概念的核心就是對于時間點(diǎn)的確定，也就是說這一時間點(diǎn)也最能代表碳水化合物生成、遷移以及積累所用的時間。通過確定積累時間，我們可以判定頁巖氣藏的含量、氣體吸附分?jǐn)?shù)、儲層厚度、有機(jī)碳總含量和氣體體積等等，對系統(tǒng)方案的模擬起到十分重要的作用。

（3）針對水利壓裂這一開采方法，還存在很多不足，例如對環(huán)境的破壞，從用水量、污染地層、廢液中有毒化學(xué)物質(zhì)含量過高等等。我們在有效開采的同時要對其進(jìn)行優(yōu)化使用，在美國頁巖氣開發(fā)的基礎(chǔ)上改善壓裂用水方式以及控制廢液排放量等方面加以重視。

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國際磷肥市場需求減弱

國際市場需求量不高，當(dāng)前普鈣、重鈣市場整體出口量較少，因出口對于肥料的品質(zhì)要求較為嚴(yán)格，且進(jìn)口商要求多多，即便有出口訂單，運(yùn)輸?shù)确矫嬉琅f困難重重，甚至因個別企業(yè)因前期出口質(zhì)量較低，已有國家禁止中國磷肥入港，使得行情壓力進(jìn)一步凸顯。雖近兩年政府通過關(guān)稅來調(diào)節(jié)，從下圖可以看出重鈣普鈣的年出口量略好于前幾年：12年重鈣共出口了85.30萬噸、普鈣69.87萬噸，13年重鈣共出口了77.57萬噸、普鈣60.42萬噸，14年重鈣共出口了87.97萬噸、普鈣74.96萬噸；15年1-8月份重鈣共出口了61.82萬噸、普鈣63.96萬噸。

Analysis on Fracturing System of Shale Gas Reservoir

AN Jian-ning，WANG Guo-fu，LIU Chuan-chi，WANG Wei-qiang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Shale gas system is organic matter deposit formed by biological accumulation in nature. Shale gas is a kind of gas stored in natural fractures and pores; it is adsorbed on the surface of clay particles, or dissolved in kerogen and asphalt. In this article, through analysis of recovering Antrim shale field, it’s learned that the hydraulic fracturing must be required in order to successfully recover shale gas. Combined with successful cases in the United States, the mode of recovering shale gas in China was discussed.

Shale gas; Biological accumulation; Natural fracture; Fracturing

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）10-2468-04

2015-04-22

安健寧（1988-），女，遼寧撫順人，碩士，2015年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)，研究方向：從事鉆井液技術(shù)工作。E-mail：donas_jianning@163.com。